Componentes electrónicos
Se denominan componentes electrónicos aquellos dispositivos que forman parte de un circuito electrónico. Se suelen encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o
plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante
soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.
Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son
modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos
matemáticos de la
teoría de circuitos.
Tubos de vacío
La válvula electrónica, también llamada válvula termoiónica, válvula de vacío, tubo de vacío o bulbo, es un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio "vacío" a muy baja
presión, o en presencia de
gases especialmente seleccionados. La válvula originaria fue el componente crítico que posibilitó el desarrollo de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX, incluyendo la expansión y
comercialización de la radiodifusión,
televisión, radar, audio,
redes telefónicas, computadoras analógicas y digitales, control industrial, etc. Algunas de estas aplicaciones son anteriores a la válvula, pero experimentaron un crecimiento explosivo gracias a ella.
A lo largo de su
historia, fueron introducidos muchísimos tipos de
válvulas, pero los principios de funcionamiento básicos son:
Efecto Edison. La gran mayoría de las válvulas electrónicas están basadas en la
propiedad que tienen los
metales en caliente de liberar electrones desde su superficie.
Gases ionizados. En otros casos, se utilizan las características de la conducción electrónica en gases ionizados, esto resulta principalmente importante en los reguladores de tensión, rectificadores de vapor de
mercurio, válvula de conmutación T/R, etc.
Efecto fotoeléctrico En otros casos, el principio de funcionamiento se basa en la emisión de electrones por el efecto fotoeléctrico.
El ocaso de esta tecnología comenzó con la invención del transistor y el posterior desarrollo de componentes de
estado sólido que eran mucho más pequeños, baratos y fiables que la válvula. Sin embargo hoy en día aún sobrevive en ciertas aplicaciones específicas, donde por razones
técnicas resultan más conveniente. Por ejemplo en transmisores de radiofrecuencia de alta potencia y
sistemas de radar se utilizan magnetrones, válvulas de onda progresiva TWT, thyratrones, etc. En
televisión y sistemas de
imagen medicinal aún se utilizan tubos de rayos catódicos o tubos de captura de imagen, y en el hogar es la base de funcionamiento del horno
microondas. También siguen siendo ampliamente utilizadas en preamplificadores de micrófonos, guitarras y bajos, así como en equipos de sonido de alta fidelidad.
Aunque el efecto de emisión termoiónica fue originalmente informado por Frederick Guthrie en 1873, es
la investigación de Thomas Alva Edison
el trabajo más a menudo mencionado. Edison, al ver que con el uso el cristal de las lámparas incandescentes se iba oscureciendo, buscó la forma de aminorar dicho efecto, realizando para ello diversos
experimentos. Uno de ellos fue la introducción en la ampolla de la lámpara de un electrodo en forma de placa, que se polarizaba eléctricamente con el fin de atraer las partículas que, al parecer, se desprendían del filamento. A pesar de que Edison no comprendía a nivel físico el funcionamiento, y desconocía el potencial de su "descubrimiento", en 1884 Edison lo patentó bajo el nombre de "Efecto Edison".
Al agregar un electrodo plano (placa), cuando el filamento se calienta se produce una agitación de los átomos del material que lo recubre, y los electrones de las órbitas de valencia son acelerados, alcanzando velocidades de escape, con lo que se forma una nube de electrones por encima del mismo. La nube termoiónica, fuertemente atraída por la placa, debido al potencial positivo aplicado en la misma, da lugar a la circulación de una corriente electrónica a través de la válvula entre el filamento y el ánodo. A este fenómeno se le denomina Efecto Edison-Richardson o termoiónico.
Llegados a este punto, tenemos que la válvula termoiónica más simple está constituida por una ampolla de
vidrio, similar a la de las lámparas de incandescencia, a la que se le ha practicado el vacío y en la que se hallan encerrados dos electrodos, denominados cátodo y ánodo.
Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en
inglés de transfer resistor («resistor de transferencia»). Actualmente se encuentra prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario tales como radios, televisores, reproductores de audio y
video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomó
grafos, teléfonos celulares, aunque casi siempre dentro de los llamados
circuitos integrados.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el
diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo 32 a diferencia de los resistores,
condensadores e inductores que son elementos pasivos 33.
De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es
función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de
calor, frecuencia de
trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas (configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.
Transistor de contacto puntual
Llamado también "transistor de punta de contacto", fue el primer transistor capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por John Bardeen y Walter Brattain. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación
cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de base es capaz de modular la
resistencia que se «ve» en el colector, de ahí el nombre de transfer resistor. Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.
Transistores de efecto de campo
El transistor de unión bipolar (o BJT, por sus siglas del inglés bipolar junction transistor) se fabrica sobre un monocristal de material semiconductor como el germanio, el silicio o el arseniuro de galio, cuyas cualidades son intermedias entre las de un conductor eléctrico y las de un aislante. Sobre el sustrato de cristal se contaminan en forma muy controlada tres zonas sucesivas, N-P-N o P-N-P, dando lugar a dos uniones PN.
Las zonas N (en las que abundan portadores de carga Negativa) se obtienen contaminando el sustrato con átomos de elementos donantes de electrones, como el arsénico o el fósforo; mientras que las zonas P (donde se generan portadores de carga Positiva o «huecos») se logran contaminando con átomos aceptadores de electrones, como el indio, el aluminio o el galio.
La tres zonas contaminadas, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la región de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente
contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el
comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la
geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.
Transistor de efecto de campo
El transistor de efecto de campo de unión (JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
Circuitos integrados
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip, microchip, es una
estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, normalmente silicio, de algunos milímetros cuadrados de superficie (área), sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o de
cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre el Circuito Integrado y un circuito impreso.
Los CI se hicieron posibles gracias a descubrimientos experimentales que mostraban que artefactos semiconductores podían realizar las funciones de los tubos de vacío, así como a los avances científicos de la fabricación de semiconductores a mediados del siglo XX. La
integración de grandes cantidades de pequeños transistores dentro de un pequeño espacio fue un gran avance en la elaboración
manual de circuitos utilizando componentes electrónicos discretos. La capacidad de
producción masiva de los circuitos integrados, así como la fiabilidad y acercamiento a la construcción de un
diagrama a bloques en circuitos, aseguraba la rápida
adopción de los circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños utilizando transistores discretos.
Los circuitos integrados son usados en prácticamente todos los equipos electrónicos hoy en día, y han revolucionado el mundo de la electrónica. Computadoras, teléfonos móviles, y otros dispositivos electrónicos que son parte indispensables de las
sociedades modernas, son posibles gracias a los bajos
costos de los circuitos integrados.
Partes del multímetro digital y simbología de funciones:
Los multímetros son semejantes, aunque dependiendo de modelos, pueden cambiar la posición de sus partes y la cantidad de funciones, sin embargo el nombre de las funciones y la simbología es estándar.
Pantalla Display: Pantalla de cristal líquido en donde se muestran los resultados de las mediciones.
- Selector de funciones y rango: Esta perilla nos sirve para seleccionar el tipo de magnitud a medir y el rango de la
medición.
- Rangos y tipos de medición: Los números y
símbolos que rodean la llave selectora indican el tipo y rango que se puede escoger. En la imagen anterior podemos apreciar los diferentes tipos de posibles mediciones de magnitudes como el voltaje directo y alterno, la corriente directa y alterna, la resistencia, la capacitancia, la frecuencia, prueba de
diodos y continuidad.
- Cables rojo y negro con punta (puntas de prueba): El cable negro siempre se conecta al borne o Jack negro, mientras que el cable rojo se conecta al jack adecuado según la magnitud que se quiera medir.
Simbología estándar de las funciones:
REÓSTATOS:
Un reóstato, también conocido como reóstato, es el dispositivo de un circuito eléctrico que permite modificar su resistencia. A través del movimiento de un cursor o de un eje, el reóstato permite variar el nivel de la corriente. Los reóstatos se conectan al circuito en serie. Es importante saber si su potencia y su
valor son apropiados para manejar la corriente que circulará a través de él. En general los reóstatos tienen una gran resistencia y pueden disipar mucha potencia.
El reóstato, en definitiva, regula la intensidad de la corriente, controlando la energía que pasa a la carga. Suelen emplearse en aquellos
procesos que necesitan variar la resistencia y controlar la intensidad de la
corriente eléctrica, como ocurre cuando arranca un
motor.
Puede decirse que el reóstato es una resistencia variable que cuenta con dos contactos. La resistencia tiene como
misión resistir el flujo eléctrico: a mayor resistencia, la corriente circulará más lento en el circuito. El reóstato, al tener la capacidad de disminuir o incrementar la resistencia, posibilita modificar el nivel de corriente que fluye por el circuito eléctrico. Para cumplir con su tarea, los reóstatos suelen contar con
carbono u otro elemento aislante y con un control deslizante.
Condensadores
Se denomina condensador al dispositivo formado por dos placas conductoras cuyas cargas son iguales pero de signo opuesto. Básicamente es un dispositivo que almacena energía en forma de
campo eléctrico. Al conectar las placas a una batería, estas se cargan y esta carga es proporcional a la diferencia de potencial aplicada, siendo la constante de proporcionalidad la capacitancia: el condensador.
Condensadores en paralelos
Tres o más condensadores están conectados en paralelos cuando se conectan de la manera que están en la figura.6.6.
Las primeras tres placas están conectadas al terminal positivo, mientras que las otras tres están conectadas al terminal negativo. De esta forma, la diferencia de potencial entre las placas del condensador es la misma para todas. La carga suministrada por la fuente se reparte entre los tres condensadores. En resumen:
a.- La carga total es igual a la suma de las cargas de cada condensador.
b.- La diferencia de potencial es la misma en cada uno de los condensadores.
Es posible sustituir el conjunto de condensadores por uno solo, sabemos que:
Y así para Q1, Q2 y Q3. Introduciendo en (6.6) y desarrollando:
Es decir, al colocar los condensadores en paralelos, su capacidad aumenta.
Condensadores en series
Tres o más condensadores están conectados en serie cuando se conectan
Al conectarse los condensadores a la pila o batería, se extraen electrones de la placa izquierda de C1, los cuales son trasladados a la placa derecha de C3, como consecuencia ambas= placas adquieren la misma carga, después la placa derecha de C1 se carga por
inducción se carga con signo contrario, y este
proceso continua con C2.
